TRASMISSIONE DATI SU RETE TELEFONICA

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TRASMISSIONE DATI SU RETE TELEFONICA
2 Fondamenti Segnali e Trasmissione
• ISP (Internet Service Provider) connesso alla WWW (World Wide Web) vende trasmissione dati
• rete telefonica: unico canale di trasmissione bidirezionale diffuso
• PB: un metodo per scambiarsi dati tramite segnali che possano viaggiare sulla rete telefonica, cioè che abbiano caratteristiche simili a quelle di una comunicazione telefonica, o per lo meno che siano compatibili con i vincoli di tale rete
Trasmissione dati su rete telefonica
rete telefonica analogica
L’ applicazione DSL (Digital Subscriber Line)
• Una DSL opera su un sistema di trasmissione locale (utente – centrale) a
due fili tipicamente di lughezza inferiore a 1.5 km.
DSL DSL
Fonti di disturbo su DSL [2/4]
Echi del segnale trasmesso
Interferenza tra linee: paradiafonia e telediafonia
I disturbi di para e telediafonia sono dovuti all’accoppiamento capacitivo
tra cavi (es. doppini telefonici) situati in prossimita’.
Trasmettitore
Ricevitore
Modello del canale
• D(f) : doppino
• zero in continua H(0)=0
( )

0
2
Il segnale vocale sta perfettamente qua dentro. Un segnale numerico come può essere fatto? (Passa-Banda f0≈1700 Hz, B≤3.5 kHz)
0 1 2 3 4 5 0
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1
1.5
Nel 1992 il sig. Rossi compra un v.32 modem standard:
• f0 = 1800 Hz • Rs = 2.4 kbaud (1 baud = 1 simbolo/s) • Rb = 9600 bps
Infatti sappiamo che in banda passante, con roll off del 40%:
( ) kbaud con kHz 423631 .R.RB ss ==+= α
codificata non 16QAM onecostellazi1624 2 ==⇒= MMlogRR sb
Nota lo standard prevede altri due modi di funzionamento in condizioni critiche di rapporto segnale-rumore: • 32-CR codificato R=4/5 (guadagna 4 dB) 4 bit/simbolo, 9600 bps • QPSK non codificato 2 bit/simbolo, 4800 bps
V.32 modem standard
Rete telefonica digitale
• miglior SNR sulla rete (34-38 dB) => maggior numero di livelli della costellazione
• si sfrutta al massimo la banda disponibile con tecniche più raffinate di equalizzazione per combattere la distorsione
• i modem si scambiano una serie di toni per stimare la risposta del canale e per decidere f0 e Rs. => velocità di trasmissione variabile a seconda delle condizioni.
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01010101...
...01010101
9 Fondamenti Segnali e Trasmissione
1997: il sig. Rossi butta il v.32 e compra un modem v.34:
• f0 variabile tra1600 e 1960 Hz • Rs variabile tra 2.4 e 3.43 kbaud • Rb variabile tra 19.2 e 33.6 kbps
Note • i bit/simbolo (tra 8 e 10.7) anche non interi nascono dall’uso di superframes di simboli • la costellazione utilizzata varia tra un minimo di 256 ed un massimo di 1664 livelli • i modem iniziano la comunicazione con una fase di start-up per decidere la qualità del collegamento ed accordarsi sulla modalità da utilizzare
V.34 modem standard
rete digitale
Ma perchè prendere un segnale digitale, modularlo su un segnale analogico, per poi riconvertirlo in digitale? Non è più semplice interfacciarsi direttamente con la rete digitale?
-5-4-3-2-1012345
1
D/A
• In ricezione il convertitore D/A in centrale converte il segnale numerico in un segnale a gradini (256 livelli non uniformi, durata 125 µs). Questo segnale viene filtrato (proprio allo scopo di tagliare gli spigoli quando si tratta di un segnale vocale) e riconvertito A/D al modem. • Se l’IP trasmettesse direttamente un file numerico, il convertitore lo convertirebbe con la stessa legge: se potessi leggere l’uscita non filtrata mi basterebbe un demodulatore d’ampiezza a 256 livelli (a parte la piccola complicazione che i livelli d’ampiezza sono non uniformi), per ricevere un simbolo 256-PAM ogni 125 µs.
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...01010101
11 Fondamenti Segnali e Trasmissione
• pb: il sig Rossi non può by-passare il filtro. Questo filtro visto da un punto di vista numerico genera ISI nel segnale a valle. Quest’ISI si può combattere con una pre- codifica, per cui ogni 7 simboli trasmessi, uno è combinazione degli altri otto: Rs=7 kbaud, Rb= 7x8=56 kbps
• In tx il convertitore A/D è in centrale quindi il sig. Rossi se lo deve tenere e deve passargli un segnale analogico => modem asimmetrico
Il modem digitale [2/2]
12 Fondamenti Segnali e Trasmissione
Nel 1999 quindi il sig. Rossi butta il v.34 e compra un modem v.90:
In ricezione modem digitale
• banda base • Rs = 7 kbaud • Rb = 56 kbps (modulazione 256 PAM)
In trasmissione modem analogico standard v.34
• Rb fino a 33.6 kbps
Nota Il traffico internet è molto asimmetrico: il collo di bottiglia è sempre il flusso in ricezione
V.90 modem standard (asimmetrico)
13 Fondamenti Segnali e Trasmissione
E’ lo stesso gestore della rete telefonica che mette a disposizione il servizio modificando le centrali e l’accesso dell’utente: in pratica viene sdoppiata la linea locale • la parte LP per la fonia • la parte BP per i dati Le due parti vengono multiplate in centrale dopo la conversione in numerico (la linea telefonica rimane sempre libera).
ADSL
• Ora il segnale dati non deve più passare attraverso il filtro anti aliasing. • La rete porta per il sig.Rossi un traffico superiore ai 64 kbps di una telefonata standard • Il modello del canale con cui bisogna fare i conti per il trasferimento dati torna ad essere la funzione di trasferimento del doppino telefonico
rete digitale centr.
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...01010101
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0
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0.6
0.8
1
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1.4
ADSL : architettura
in divisione di FREQUENZA con il segnale telefonico
ADSL download
ADSL upload
Modem
ADSL
utente
Rete
digitale
Modem
ADSL
Centrale
ISP
[1/3]
15 Fondamenti Segnali e Trasmissione
• Le prestazioni dell’ ADSL dipendono dalla lunghezza della linea utente – centrale
(prima della trasmissione sulla rete digitale a larga banda).
• I segnali voce e dati vengono separati da ‘splitters’, ovvero filtri passa alto e passa
basso che svolgono il ruolo di de-multiplexer in frequenza.
DSL
Filtro
passa
basso
Filtro
passa
alto
Telefono
Diagramma a blocchi dell’accesso ADSL
ADSL : architettura [3/3]
17 Fondamenti Segnali e Trasmissione
La modulazione usata in ADSL e’ detta DMT (Discrete Multitone)
Nella trasmissione DMT il flusso R (bit/s) dei dati viene diviso in
N flussi piu’ lenti (di velocita’ Rk , 1<k<N)
L’intera banda disponibile viene quindi divisa in N sotto-bande
ed ogni flusso viene trasmesso in parallelo su una delle sotto-bande.
I flussi di dati in ogni sotto-banda vengono modulati
da portanti ortogonali tra di loro.
ADSL: principio di funzionamento [1/1]
18 Fondamenti Segnali e Trasmissione
( ) ( )
( ) ( )∑
∑ ∞
−∞=

−∞=
+⋅
−−⋅=
+⋅
−−⋅=
+=
)()()(
Due flussi di informazioni numeriche sono rappresentati dai coefficienti an e bn (nel caso binario tali coefficienti potranno assumere, ad esempio i valori ±A)
Si possono trasmettere contemporaneamente entrambi i flussi di informazione utiliz- zando la somma dei due segnali riportati nel seguito.
Nel caso f1=k1 .(1/T) e f2=k2
.(1/T) abbiamo la densità spettrale di potenza dei due processi riportata in figura.
T= tempo di simbolo
19 Fondamenti Segnali e Trasmissione
Nonostante le due densità spettrali di potenza siano fortemente sovrapposte una all’altra, in ricezione, dall’unico segnale ricevuto (g(t)) possiamo recuperare correttamente sia gli an che i bn. Cioè i segnali g1(t) e g2(t) non interferiscono fra loro.
g(t)
an
bn
La non interferenza fra i due segnali considerati e’ strettamente legata alla condizione di ortogonalità fra le portanti nel periodo di simbolo.
( ) ( ) 0 1
2sin 1
2sin2sin2sin 2121 =⋅
ππππ
La trasmissione di più flussi di informazioni in parallelo attraverso l’uso di portanti ortogonali è ampiamente utilizzata in diversi sistemi di comunicazione ed e’ la base della DMT.
Trasmissione di informazioni con portanti ortogonali [2/2]
20 Fondamenti Segnali e Trasmissione
( )
La modulazione DMT risulta particolarmente utile poiche’:
- permette di sfruttare al meglio la capacita’ del canale sfruttando, ad es., le sotto- bande con rapporto segnale rumore migliori per trasmettere a velocita’ piu’ elevate
- e’ flessibile e si adatta a condizione di canale trasmissivo diverse - e’ resistente a disturbi che siano particolarmente concentrati in alcuni intervalli
di frequenza o al rumore ad impulsi, la cui energia viene distribuita sui molti canali.
1Khz 10Khz 100Khz 1Mhz
Att. (dB/Km)
15-18 dB/Km
Considerando lunghezza max del collegamento pari a circa 5Km l’attenuzione massima può raggiungere i 90 dB.
Applicazioni della DMT : ADSL [1/2]
Nelle trasmissioni digitali ad alta velocità su doppini telefonici la banda utilizzata e’ 5 Khz ÷÷÷÷ 1Mhz
22 Fondamenti Segnali e Trasmissione
Uno degli aspetti legata alla flessibilità nella DMT e’ l’allocazione delle risorse in trasmissione (come ad es. la potenza) per massimizzare la velocità totale in bit/s.
Se non ho un canale ideale con attenuazione costante in frequenza é intuitivo pensare che converrà trasmettere a velocità superiore nelle sotto-bande con minore attenuazione (e quindi migliore SNR) e meno nelle altre.
Questo si può realizzare utilizzando costellazioni a più livelli (M-QAM) nelle sotto- bande ‘buone’.
Applicazioni della DMT : ADSL [2/2]